为了得到角向偏振光输出,采用严格耦合波分析方法,设计了一种复合光栅镜.先通过对Ge光栅的伪博世工艺刻蚀特性的研究,得到了高深宽比的无定型Ge光栅.然后在栅槽底部引入了随机分布的Ge纳米针,在该光栅上依次镀金膜和介质保护膜,得到介质-金属复合光栅镜.最后将该复合光栅镜用作轴快流CO2激光器谐振腔尾镜,得550W角向偏振光输出.结果表明,纳米柱及金栅脊的引入使得该复合光栅镜具有很高的偏振选择性.

为了改善现有激光宽带熔覆送粉喷嘴中金属粉束发散、粉末利用率低的问题,设计了一种送粉喷嘴的准直气罩;为了实现在宽带激光束内部均匀地对熔池送粉,保证粉末受热均匀、粉束发散小,设计了一种流道.应用FLUENT软件对准直气罩内部流体分析,确定装置内部型腔和出口尺寸,以减少出口处的紊流,达到较佳的准直效果.最后利用研制的送粉装置进行送粉试验,验证了该准直气装置的实验效果.结果表明,准直气帘的宽度为粉束宽度的1.5倍时,准直效果较好.

为了得到表面粗糙度低的立面变径回转体,采用中空激光光内同轴送粉技术进行立面堆积的方法,着重对中空激光立面堆积的优点以及激光光头姿态、光头提升量Δz、激光功率对立面堆积成形件表面粗糙度的影响进行了理论分析和实验验证.在立面堆积过程中,激光光头始终保持与熔道表面垂直,同时对提升量Δz、激光功率进行实时控制,最终得到表面光滑的立面回转体成形件,其粗糙度Ra为0.497μm~2.163μm;Rz为1.992μm~7.447μm.结果表明,该方法在立面堆积方面具有适用性,可以得到表面粗糙度低的成型件.

为了扩展自由空间光通信的应用领域,设计了一套稳定性好、实用性较强的逆向调制光通信系统.采用一种基于声光调制器、逆向光链路等核心元件的实验方法,利用现场可编程门阵列发出晶体管-晶体管逻辑门电平对声光调制器进行控制,采用二进制频移键控与二进制脉宽调制调制相结合的四进制调制方法,同时使用冗余校验置换、改进的汉明码等加密纠错方式,实现了室内逆向调制激光通信.结果表明,该通信系统的串口通信速率可达115.2kbit/s、高频载波达1MHz、且保密性良好、误比特率低于10-6,同时证明了激光外调制逆向通信系统载波最高可达到5MHz左右.

在空间大尺寸坐标测量系统中,经纬仪测量系统因其测量范围广、非接触式测量、便携性等优点应用广泛.为了降低经纬仪测量系统成本,减少经纬仪测量系统误差来源,提出了一种基于非正交轴系的激光经纬仪测量系统.首先,根据测量时非正交轴系的转换关系,推导出非正交轴系激光经纬仪的视准轴的空间数学模型.然后,根据双经纬仪前方交会测量原理,建立了基于非正交轴系激光经纬仪的测量系统,并推导出空间点坐标.最后,通过仿真与实验,验证了测量模型的正确性.结果表明,在测量半径为3m时,该测量系统对空间点在拉依达准则下的测量不确定度能达到±1mm以内,尤其适用于大空间、大尺寸测量.

为了从频域角度分析复Morlet小波、Fan小波和实Mexican hat小波等常用的小波频域特点,采用小波变换和基于结构光投影的3维面形测量方法重建被测物体,并进行了理论分析和实际实验.通过对比1维Morlet小波、1维Mexican hat小波、2维Morlet小波、2维Fan小波、2维Mexican hat小波抑制条纹非线性和噪声的能力,以及对具有不同形变特征的条纹图的相位解调精度,最终得到不同小波处理相同条纹时的重建精度.结果表明,2维小波比1维小波抑噪能力强;Mexican hat小波在恢复存在相位突变的条纹时精度较高.该研究工作为小波变换轮廓术的应用提供了理论参考.

为了设计一种基于正方晶格光子晶体波导的三端口解波分复用器,利用光子晶体的光子带隙特性和光在光子晶体慢光波导中的传输特性,并采用平面波展开法及时域有限差分法对解波分复用器的特性进行了理论分析,数值计算了解复用器的空间和光谱分布特性.结果表明,调整波导中与波导紧邻的第1排柱子的位置,使三部分波导中传输的慢光频率发生改变,通过合理的结构设计,利用慢光模式传输的特点将不同频率的光从不同的输出端输出,可实现解复用的目的.

为了形成纯净的环形抽运光,以得到端面抽运固体激光器输出拉盖尔-高斯光束,采用轴棱锥系统整形方法(即将激光二极管输出的实心抽运光经过准直系统后,耦合进轴棱锥与聚焦镜组成整形系统,形成环形尺寸可变的区域空心光束)进行了理论分析和实验验证.基于几何光学的方法,对整形装置形成环形抽运光进行了理论分析及基于ZEMAX软件的数值模拟,最后实验验证了此方法的可行性;并在研究过程中,对一种环形抽运光中间暗斑区域不变的现象进行了研究.结果表明,在采用未镀膜的轴棱锥的情况下,该系统形成环形抽运光的效率达到64.5%.

为了研究高功率光纤激光焊接工艺参量对底部驼峰倾向的影响,采用单一变量方法研究了激光功率、焊接速度、离焦量、下表面保护气体流量及焊接方位的变化对底部驼峰的影响.结果表明,随激光功率的增加,底部驼峰倾向先加大后减小;焊接速率提高时,底部驼峰高度先增加后减小,驼峰间距明显减小;离焦量在0mm附近时,底部驼峰倾向较大;适当的下表面保护气体流量有助于减小底部驼峰倾向,最佳流量为15L/min;焊接方位为60°时,一定程度上可减小底部驼峰倾向.优化后的工艺参量合理,可有效地消除底部驼峰.

综述了镁合金表面激光熔覆技术的研究进展状况.介绍了镁合金表面激光熔覆工艺特点和工艺方法;阐述了工艺参量对熔覆层性能的影响;总结了当前镁合金表面激光熔覆的主要材料体系及其熔覆层的组织和性能;展望了镁合金表面激光熔覆技术今后的发展方向.

为了分析材料色散对法布里-珀罗干涉仪透射特性的影响,采用洛伦兹振子模型计算了法布里-珀罗干涉仪的透射谱,研究了色散强度、衰减系数和谐振频率对纵模间隔的影响.结果表明,高、低频段的纵模间隔随色散强度的增大而减小,随衰减系数的增大而增大;对于谐振频率附近的纵模,纵模间隔随着色散强度的增大先增大后减小;色散强度很小时,纵模间隔随衰减系数的增大而减小,随谐振频率的增大先增大后减小;当色散强度较大时,纵模间隔随衰减系数的增大先增大后减小,随谐振频率的增大而减小.这一结果对激光器的设计和研究有一定的帮助.

在结构光视觉测量系统中,激光条纹的提取精度和速率直接影响到最终测量结果的精确度.为了解决现有激光条纹提取方法难以同时达到抗干扰能力强、稳定性好和运算量小等问题,采用了一种优化Steger快速提取激光条纹中心的方法,利用梯度阈值分割出有效条纹区域,采用优化的扫描方式,用灰度重心法对条纹中心进行粗提取,然后用Hessian矩阵法对条纹中心进行精提取.对激光条纹提取原理进行了理论分析,并对软硬件设计进行了实验验证,取得了较好的实验数据.结果表明,该方法与传统方法相比,具有提取精度高、提取速率快的优点,这一结果对柔性传感器的高精度和实时性是有帮助的.

为了分析激光化学气相沉积制备石墨烯过程中催化剂基底的静态和动态温度场分布与各个实验参量之间的关系,采用基于ANSYS软件建立有限元分析模型和加载532nm激光热源模型的方法,取得了不同实验参量影响下基底温度场分布和达到反应温度所需时间的数据.结果表明,在基底材料属性、激光功率大小、基底面积尺寸、聚焦光斑直径、反应气体流量的影响下,基底静态温度场的分布与达到反应温度所需时间均不同,可作为制备高质量石墨烯实验的参考依据.采用波长为532nm、功率为3W、聚焦光斑直径为50μm、移动速率为1mm/s的连续型激光器,以镍箔为基底材料,在标准状态下甲烷和氢气流量分别为10mL/min和5mL/min条件下仿真得到的动态温度场符合激光化学气相沉积法制备图案化石墨烯的生长机理.

为了研究量子阱结构对半导体环形激光器阈值电流的影响,从F-P腔激光器的振荡条件出发,分析了半导体环形激光器的阈值电流密度与量子阱结构参量的函数关系,并推导出最佳量子阱数的表达式.利用器件仿真软件ATLAS建立环形激光器的等效模型,仿真、分析了不同工作温度下,量子阱数、阱厚及势垒厚度对阈值电流的影响.结果表明,阈值电流随量子阱数和阱厚的增加先减小后增大,存在一组最佳值;在确定合适的量子阱数和阱厚后,相对较窄的势垒厚度有助于进一步降低阈值电流;采用GaAs/AlGaAs材料体系和器件结构,其最佳量子阱结构参量为M=3,dw=20nm及db=10nm.

为了研究机械应力对石英滤波输出的影响,基于石英晶体的弹光效应,推导了石英晶体双折射率与不同方向机械应力之间的关系,并进行了数值模拟.采用了Ultra-6600系列紫外-可见分光光度计搭建了实验系统,得到了立奥型石英双折射滤光片的透射光谱图,并对光谱图进行了研究与分析.结果表明,在不同方向机械应力作用下,立奥型石英双折射滤光片的中心波长发生漂移;大小为0.0025N/m2机械应力沿Ox1轴、Ox2轴、Ox3轴方向作用,石英滤波片中心波长向长波长方向的漂移量分别约为0.4nm,0.6nm,1nm.这一结果对石英双折射滤光片的封装制作、正确设计和使用是有帮助的.

为了有效地滤除红外图像中的噪声,提出了一种改进型非局部均值滤波算法(INLMF).该算法首先针对传统算法中采用固定尺寸的方形图像块无法有效刻画图像中大量分布的细节信息这一缺陷,结合图像中像素点灰度信息提出了一种图像块自适应划分方法,使得划分后的图像块在尺寸和形状上依赖于图像中灰度信息的实际分布情况;其次引入结构相似度因子对算法中的图像块权重值计算方法进行适当改进;最后分别将INLMF算法与已有的两类改进型NLMF算法对两幅红外监控图像进行滤波,并进行了理论分析和实验验证.结果表明,INLMF算法相对于其余几类算法而言,滤波效果较好,该研究对于提高红外图像滤波效果是有帮助的.

为了解决激光显微成像系统中散斑的抑制问题,采用散斑暗区比方法研究了光纤振动对显微散斑图像的影响.实验中采用波长为532nm的激光作为显微系统光源,利用光纤振动对激光显微图像散斑进行抑制;同时采用CCD图像传感采集系统对样品表面进行的显微成像,并对光纤在不同振动电压下的显微图像暗区比进行了分析.结果表明,随着振动电压的增大,图像的散斑暗区比会逐渐减小,当电压为2.6V时,图像散斑暗区比达到5.64%,散斑对比度为4.17%,接近人眼分辨率4%,可达到良好的散斑抑制效果.

为了更好地实现3维激光扫描图像的去噪,提出一种融合直方图结构相似度(HSSIM)和残差比阈值的改进稀疏去噪算法.利用初始化过完备字典进行稀疏分解,以相似因子代替重构误差作为保真项,利用残差比阈值作为正交匹配追踪算法的迭代终止条件对图像进行去噪,获得了去噪后图像的峰值信噪比及HSSIM指标.结果表明,与基于db2小波变换、多尺度曲波变换和离散余弦变换的去噪方法相比,该算法能获得更好的峰值信噪比和HSSIM数据.在有效去除图像噪声的同时还能更有效地保留图像的细节特征.

为了对高重频激光干扰效果进行评估,首先基于不同的放大电路导引头分析了高重频激光干扰机理,简述了高重频激光干扰牵引效应;然后分析了激光导引头大动态范围信号放大的必要性,介绍了两种常用放大电路的原理;最后采用基于自动增益控制电路和对数放大电路的方法,对高重频激光干扰效果进行了分析.结果表明,高重频激光干扰是一种非常有效的干扰方式,但具体作用方式因导引头采用放大电路的不同而不同;自动增益控制电路由于存在增益调整时间,不能完成对信号的瞬时放大,高重频激光干扰会导致制导信号被屏蔽;对数放大电路会造成信号脉冲展宽,降低系统信噪比和4路信号一致性,使激光导引头易被高重频激光干扰.该研究结果对高重频激光干扰效果评估具有重要意义.

为了研究自调Q掺铒光纤激光器输出动态特性,采用搭建全光纤结构的线形腔和环形腔自调Q掺铒光纤激光器进行了理论分析和实验验证.实验中,当抽运功率达到起振阈值后,随着抽运功率的增加,用示波器观察输出激光,线形腔输出激光依次经历了连续波、自调Q两种运行状态,由于抽运功率的限制,未能再次出现连续波运行状态,而环形腔输出激光则先经历了自调Q运行状态,然后是连续波运行状态;线形腔在抽运功率21mW~190mW的范围内,可获得脉冲宽度8μs ~100μs范围内可调、重复频率2.5kHz~54kHz范围内可调的自调Q脉冲;环形腔在抽运功率为16.2mW~110mW时,可获得的脉冲宽度在165μs左右.结果表明,自调Q掺铒光纤激光器因腔结构的不同,输出激光动态特性也不同;线形腔和环形腔均有自调Q脉冲输出,但线形腔自调Q范围更大.

红外与可见光图像融合只能反映构件表面信息和温度场分布,由于小波变换具有良好的时域和频域多分辨率性,为了获得构件内部发热源,采用了基于小波变换的红外与X光图像融合方法.首先将红外彩色图像做灰度化处理;然后采用MALLAT算法对红外与X光图像作小波分解,用低频系数平均、高频系数取绝对值大的融合规则进行融合,并利用YIQ空间变换将红外图像的彩色温度信息迁移至小波融合图像上;最后采用信息熵、标准差、方差等质量评价参量对融合后的图像进行评价.结果表明,经过小波变换融合的红外与X光图像融合在继承了两幅图像信息基础上进行了折中,既包含了构件的温度场分布,同时也反映了构件内部清晰的结构.

为了探究楔形端面对光纤传输特性的影响,采用COMSOL Multiphysics数值仿真软件,模拟研究了具有楔形端面的微纳光纤,数值计算了两根楔形微纳光纤的耦合效率,得到了单根楔形微纳光纤中的能量分布和两根光纤发生耦合时的耦合效率.结果表明,越靠近楔形微纳光纤的尖端位置,束缚在纤芯表面上的能量越多;沿着光场的传输方向,楔形区域中的能量密度先增大后减小;楔形端面处存在的菲涅耳反射对耦合效率有微小的影响,但不影响整体变化规律;轴向位移和径向位移的增大,都会使得耦合效率减小,而随着楔角的增大,耦合效率先减小后增大.对楔形微纳光纤的研究,将为其在光纤传感领域的应用打下基础.

为了设计一种基于铌酸锂光子线的极化分裂器,采用基于有限元法的电磁仿真软件,对该器件进行了优化和仿真分析,得到了结构尺寸紧凑的设计结果.同时考虑到常规工艺误差的影响,分析了波导宽度变化对器件的透射率的影响.结果表明,极化分裂器的带宽、能量透过率与波导耦合长度有着紧密的联系.

为了获得高保真3维图像,采用了一种针对高分辨率3维图像的自适应均值降噪算法.首先使用一种由激光器、高分辨率3维相机、直线电机和计算机等设备组成的线激光高精度3维测量实验系统对自然纹理皮革进行测量.然后针对系统测量所得的高分辨率3维自然纹理图像(每英寸点数大于1000),进行了理论分析和实验验证,取得了降噪后的高保真3维图像数据,并与传统的均值滤波、小波变换滤波的降噪效果进行对比.结果表明,该算法能自动选取最优的降噪窗口,有效地去除3维图像的噪声信息,并保留高分辨率图像丰富的边缘、细节信息,最终得到高保真的高分辨率3维自然纹理图像.该实验结果对于高分辨率图像的降噪问题是十分有帮助的.

为了探究z轴单层行程Δz与单层熔覆层高度的匹配对激光熔覆成形的影响,采用了在不同的z轴单层行程Δz的情况下进行激光熔覆成形试验的方法,通过理论分析和实验验证,得到了不同z轴单层行程Δz与单层熔覆层高度以及离焦量的关系曲线.结果表明,z轴单层行程Δz存在一个以第2层熔覆层高度为基准的最佳的取值范围,在此范围内,熔覆过程能够通过自身存在的反馈调节达到z轴单层行程Δz与单层熔覆层高度相等的稳定成形状态.该研究给出z轴单层行程Δz选取时的推荐值为0.5d2≤Δz≤0.6d2.

针对当前光分组与线路节点光放大高稳定性需求,依据电、光两种主流控制方案,阐明了掺Er3+光纤放大器(EDFA)带微调和无微调情况下,基于电的自动增益控制机理.综述了EDFA增益瞬态控制研究的最新进展.分析了各种增益控制方案的具体控制过程.呈现了这些控制方法所取得的阶段性成果.

相干合束是获得高功率、高光束质量激光的一种重要方法.为了分析光纤激光合束的特点,通过对相干合束不同传输距离光强分布特点的模拟对比,研究了光纤激光阵列结构、相位随机抖动、光纤间距、传输距离等因素对相干合成的影响,分析了相干合成时桶中功率随传输距离的变化.结果表明,相干合成时,不同光纤激光阵列结构在传输距离较近位置光强分布差别很大;随着传输距离增加,光强分布基本都接近高斯分布;轴上点光强分布极大值个数和阵列结构环数紧密联系;各光束之间的随机相位差越小,相干合成效果越好.这些结果对光纤激光相干和束的实验研究有一定的参考价值.

为了解决2维最小误差阈值分割法对呈偏斜分布与重尾分布的图像分割鲁棒性较差的问题,提出一种基于平均中值离差的2维最小误差阈值分割法.考虑到1维直方图呈偏斜分布和重尾分布的图像中,中值是比均值更为鲁棒的灰度级估计量,因而将2维最小误差阈值分割法中的方差用平均中值离差替代;为提高运算速度,将2维算法分解为2个1维算法.结果表明,相比2维Otsu法、2维最小误差阈值分割法等经典算法,基于平均中值离差的2维最小误差阈值分割法对1维直方图呈偏斜分布与重尾分布的图像有更准确的分割效果、更好的鲁棒性.

为了研究拉盖尔-高斯涡旋光束在传播过程中的相位特性,采用螺旋相位板法获取涡旋光束,从菲涅耳衍射积分出发,对光束在传输过程中的相位变化以及整数阶与分数阶涡旋光束相位奇点的稳定性进行了理论推导和数值模拟.当光束传输一段距离后,光场在观察平面上的等相位线由发散的射线变成了花瓣状的弧线.结果表明,拓扑荷为整数阶的涡旋光束在传输过程中,相位奇点具有稳定性,而分数阶光束的相位奇点不再保持稳定性,其观察平面的光强分布不对称,且涡旋光束中心为暗核的特点消失.该结论对光学微操纵和光信息编码技术的实现具有理论指导意义.

为了研究Cr,Tm,Ho:YAG激光器输出功率的影响因素,采用改变可控因素冷却水温的方法,获取激光器的抽运阈值和输出功率的变化,并分析了冷却温度、频率及功率的关系.结果表明,激光器阈值随着温度及频率的升高呈增长状态,冷却温度及重频的增加都将导致激光器输出效率的降低;在重频为20Hz时,激光的输出功率达到10.1W,光纤末端的输出功率为7.3W,总的耦合率为72%;在单脉冲能量2.0J~2.5J、重频20Hz~25Hz下,对人体肾部结石能够达到预期的粉碎效果.

为了研究梯度折射率介质对复变量双曲正弦高斯光束的传输影响,利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分法推导出了复变量双曲正弦高斯光束在梯度折射率介质中的传输场,运用空间二阶矩的定义解出了光斑尺寸及其变化率的表达式,并进行了数值模拟分析.结果表明,光斑尺寸及其变化率随传输距离的增加呈周期性变化,周期由折射率系数决定;随光束参量的改变,光斑位置不变,周期性不变,但是光斑尺寸的振荡幅度要发生改变;通过调整这些参量,可以改变光斑尺寸及其位置.此项研究对大功率半导体激光器等方面的开发应用有帮助.